Электроракетная двигательная установка

 

Изобретение относится к космическим энергодвигательным установкам, а более конкретно - к маршевым электроракетным двигательным установкам (ЭРДУ) космических аппаратов и комплексов. В ЭРДУ, содержащей солнечный или ядерный источник электрической энергии (ИЭ), преобразователь электрического тока (Пр), блок электроракетных двигателей (ЭРД) и шины из электропроводного зависящего от рабочей температуры материала, соединяющие выход ИЭ со входом Пр, на внешнюю сторону поверхности шины нанесено чернотное покрытие, каждая шина выполнена в виде электропроводника с прямоугольным сечением, причем площадь S (м²) сечения выбрана из соотношения S = {N[ργp]^1/2}/{U[T⁴fδd]^1/2}, d = 0,6T⁴-0,8T³/α+0,8T_oT³+0,2T⁴_o, ρ (Ом•м) - удельное электросопротивление материала шины; N(Вт) - электрическая мощность, передаваемая по теплоизлучающей шине от ИЭ к Пр; Т_о (К) - температура шины в отсутствии тока; Т (К) - рабочая температура шины; δ (кг/м³) - плотность материала шины; α (К^-1) - температурный коэффициент электросопротивления материала шины; γ (кг/Вт) - удельная масса ИЭ; f≤1 - коэффициент; U (В) - рабочее напряжение ИЭ, при этом отношение толщины h к ширине b внешней поверхности шины выбрано из соотношения h/b = [A+(A²-S)^1/2]²/S, где A = {N[δρd]^1/2}/{4Uσε[fT⁴pγ]^1/2}; σ (Вт/м²К⁴)) - постоянная Стефана - Больцмана; ε - степень черноты излучающей поверхности шины. В качестве материала шины в диапазоне рабочих температур от 300 до 600 К используют алюминий или бериллий, от 600 до 800 К используют медь, молибден или ниобий, от 800 до 1100 К используют молибден, от 1100 до 2000 К используют ниобиевую трубу с литиевым наполнением. Технический результат - повышение эффективности ЭРДУ за счет оптимизации системы передачи электрической энергии от источника электрической энергии к ЭРД по шинам для расширенного диапазона рабочих напряжений и увеличенного диапазона передаваемой электрической энергии. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к космическим энергодвигательным установкам, а более конкретно - к маршевым электроракетным двигательным установкам (ЭРДУ) космических аппаратов и комплексов.

Известна ЭРДУ, содержащая источник питания, преобразователь электрической энергии, блок электроракетных двигателей (ЭРД), шины, которые соединяют блок ЭРД с источником питания через преобразователь тока [1].

Однако при больших электрических мощностях указанная ЭРДУ имеет низкую эффективность, обусловленную ограничениями величины рабочего напряжения ЭРДУ, связанными с потерями электрической энергии в бортовой кабельной сети и преобразователе тока. Это может привести к изменению характеристик и ухудшению энергомассовых параметров как кабельной сети, так и всей ЭРДУ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ЭРДУ, описанная в [2] . Она включает источник электрической энергии, например солнечный или ядерный, преобразователь электрического тока, блок ЭРД и шины, соединяющие выход источника электрической энергии со входом преобразователя электрического тока, по которым на ЭРД подают электрическую мощность от источника электрической энергии. Шины выполнены из электропроводного зависящего от рабочей температуры материала.

Однако данная ЭРДУ может иметь низкую эффективность, в особенности при больших мощностях, так как не учитывается теплофизическое состояние шин, в том числе значение ее рабочей температуры, а также характеристики преобразователя тока. Это может привести к неоптимальному режиму работы ЭРДУ вследствие повышенных потерь электрической мощности или увеличения массы шин и энергодвигательной установки в целом.

Задачей предложенного технического решения является повышение эффективности ЭРДУ за счет оптимизации системы передачи электрической энергии от источника электрической энергии к ЭРД по шинам для расширенного диапазона рабочих напряжений и увеличенного диапазона передаваемой электрической энергии.

Указанная задача достигается тем, что в электроракетной двигательной установке, содержащей солнечный или ядерный источник электрической энергии, преобразователь электрического тока, блок ЭРД и шины из электропроводного зависящего от рабочей температуры материала, соединяющие выход источника электрической энергии со входом преобразователя электрического тока, на внешнюю сторону поверхности шины нанесено чернотное покрытие, каждая шина выполнена в виде электропроводника с прямоугольным сечением, причем площадь сечения шины выбрана из соотношения S = {N[ργp]^1/2}/{U[T⁴fδd]^1/2} (1) d=0,6Т⁴-0,8Т³/α+0,8_ОТ³+0,2Т_О ⁴; (2*) S (м²) - площадь сечения теплоизлучающей шины; ρ (Ом•м) - удельное электросопротивление материала теплоизлучающей шины; N (Вт) - электрическая мощность, передаваемая по теплоизлучающей шине от источника электрической энергии к преобразователю электрического тока; Т₀ (К) - температура шины в отсутствии тока; Т (К) - рабочая температура шины; δ (кг/м³) - плотность материала шины; α (К^-1) - температурный коэффициент электросoпротивления материала шины; γ (кг/Вт) - удельная масса источника электрической энергии; f≤1 - коэффициент; U (В) - рабочее напряжение источника электрической энергии.

При этом отношение толщины шины h к ширине b внешней поверхности шины выбрано из соотношения
h/b=[A+(A²-S)^1/2]²/S, (3)
где A = {N[δρd]^1/2}/{4Uσε[fT⁴pγ]^1/2}(3^*)
σ (Bт/(м²К⁴)) - постоянная Стефана - Больцмана; ε - степень черноты излучающей поверхности шины.

В предлагаемой электроракетной двигательной установке в качестве материала шины в диапазоне рабочих температур от 300 до 600 К может быть применен алюминий или берилий, в диапазоне от 600 до 800 К - медь, молибден или ниобий, в диапазоне от 800 до 1100 К - молибден, в диапазоне от 1100 до 2000 К - ниобиевая труба с литиевым наполнением.

На фиг. 1 в качестве примера выполнения приведена конструкционная схема ЭРДУ с элементами космического аппарата, а на фиг.2 - фрагмент ЭРДУ с теплоизлучающей шиной.

Устройство реализуется следующим образом.

ЭРДУ содержит источник электроэнергии 1, например в виде ЯЭУ, блок ЭРД 2, баки 3 рабочего тела ЭРД, например ксенона, преобразователь электрического тока 4, теплоизлучающие шины 5, соединяющие источник электрической энергии 1 с преобразователем электрического тока 4, и шины 6, соединяющие преобразователь электрического тока 4 и блок ЭРД 2. ЭРДУ соединена штангой 7 с полезной нагрузкой 8, например, функциональным блоком информационного космического аппарата (КА). Вдоль штанги 7 от преобразователя 4 идет кабельная сеть 9 для электрообеспечения функционального блока 8. Теплоизлучающие шины 5 выполнены прямоугольного сечения, площадь которого выбрана из (1) со сторонами b и h, выбранными из соотношения (3). Шина 5 расположена между источником электрической энергии 1 и преобразователем тока 4, причем, по крайней мере, наружная сторона шин 5 покрыта чернотным покрытием 10. Материал шин 5 зависит от их рабочей температуры, а именно в диапазоне от 300 до 600 К может быть использован алюминий или берилий, в диапазоне от 600 до 800 К - медь, молибден или ниобий, в диапазоне от 800 до 1100 К - молибден, в диапазоне от 1100 до 2000 К - ниобиевая труба с литиевым наполнением.

Выбор сечения S шин должен быть проведен из следующих соображений.

Масса источника электроэнергии 1 пропорциональна ее электрической мощности N, поэтому уменьшение сечения шин 5, сопровождающееся снижением массы шин, одновременно ведет к росту их сопротивления и потерям электрической энергии в шинах 5, а следовательно, к необходимости увеличения генерируемой электрической мощности и соответственно массы источника электроэнергии 1.

Масса шин 5 может быть определена из соотношения
M = δLS = δLI/j, (4)
где j - плотность тока в шине, L - длина шин.

Прирост массы источника электроэнергии 1 δМ для компенсации потерь электрической энергии ΔN при передаче по шинам 5 определяют соотношением
δM = γΔN = γLIjρ, (4^*)
где ΔN = LIjρ = I²R = I²ρL/S; ΔN - мощность джоулевых потерь в шинах.

Температура поверхности шины Т зависит от величины плотности тока j в ней и уcловий ее охлаждения
j = {[δε(T⁴-T⁴₀)]/[βρ]}^1/2, (5)
где Т₀ - ее начальная температура (в отсутствии протекания тока); β=S/П - геометрический параметр шины, S=bh (b и h - ширина и высота сечения - фиг. 2), П=2(b+h) - периметр сечения шины.

Исходя из этого, прирост массы источника электроэнергии 1 и теплоизлучающих шин 5 по (4*) с учетом выражения (5) может быть определен следующим соотношением:
M+δM = δLI/j+γρLIj (6)
или

Принимая, что приведенная степень черноты ε наружной поверхности шин 5 не зависит от температуры Т шины и пренебрегая градиентом температуры в шине, используя условие минимума величины (δМ+М)
d(δM+M)/dT = 0,
получим уравнение для оптимального значения температуры шины Т

которое может быть решено итерационным способом.

Из уравнения (7) видно, что оптимальная температура шины не зависит от величины передаваемой электрической мощности, а является функцией лишь удельных энергомассовых характеристик источника электрической энергии 1 - (γ) и физических свойств материала шины (плотности и приведенной степени черноты), а также соотношения сторон шины - β=b/h, расположения шин в пространстве и рабочей, и начальной температур.

Для определения геометрических характеристик шин (площади поперечного сечения S и размеров сторон - b и h) используем уравнение (7). Выражение для параметра β из (7) примет вид

или
β = (γσε/δ)p/d, (8^*)
Используя соотношение для величины β через стороны b и h, получим
bh/[2(b+h)] = (γσε/δ)p/d. (9)
Так как шина находится в тепловом равновесии при рабочей температуре Т, то для теплоизлучающей поверхности шины 5, покрытой чернотным покрытием 10, можно записать соотношение
2f(b+h)L = N²Lρ/(bhU²T⁴σε), (10)
где f≤1 - коэффициент, учитывающий долю излучающей поверхности по отношению к полной поверхности шины (зависит от расположения шины в составе ЭРДУ).

Система уравнений (9) и (10) позволяет решить задачу относительно размеров поперечного сечения шины
S = {N[ργp]^1/2}/{U[T⁴fδd]^1/2}, (11)
где b, h (м) - стороны сечения шины 5; σ; (Вт/м²К⁴)) - постоянная Стефана-Больцмана; ε - степень черноты излучающей поверхности шины.

Используя уравнения (9) и (10), можно найти соотношение сторон сечения шины (b/h) в виде
h/b=[A+(A²-S)^1/2]²/S, (3)
где
A = {N[δρd]^1/2}/{4Uσε[fT⁴pγ]^1/2}. (12^*)
Таким образом, из соотношений (11) и (12) можно рассчитать параметры шины с учетом ее теплофизического состояния и электрической нагрузки.

Проведя необходимые расчеты относительно разных материалов шин, получим, что в диапазоне рабочих температур до 600 К используют алюминий или берилий, до 800 К - медь, молибден или ниобий, до 1100 - молибден, до 2000 К - ниобиевая труба с литиевым наполнением. (Из условия минимума массы по выражению (6)).

Полученное выражение для нахождения площади сечения шины 5 позволяет определить ее геометрию для оптимального случая, когда сумма масс шины и "дополнительной" массы источника электрической энергии минимальны, то есть при максимальной эффективности ЭРДУ.

ЭРДУ работает следующим образом.

ЭРДУ вместе с полезной нагрузкой 8 выводят с помощью ракеты-носителя (РН) на опорную орбиту (при этом они находятся в транспортном положении под обтекателем РН). Затем происходит подготовка ЭРДУ к работе. Полезную нагрузку 8 отодвигают от ЭРДУ с помощью штанги 7. После включения и вывода на рабочий режим источника электрической энергии 1, а также подготовки к работе блока ЭРД 2 подают электроэнергию с напряжением источника энергии 1 по шинам 5 к преобразователю электрического тока 4, в преобразователе 4 повышают напряжение до рабочего напряжения ЭРД и при этом напряжении по шинам 6 подают электроэнергию на блок ЭРД 2. Одновременно из баков 3 подают рабочее тело в ЭРД. Вследствие протекания тока из-за джоулевых потерь в шинах 5 выделяется тепло, которое сбрасывают в окружающее пространство излучением с наружной поверхности, покрытой чернотным покрытием 10.

Таким образом, предложенное техническое решение по ЭРДУ путем подбора величины сечения теплоизлучающей шины и отношения сторон в соответствии с рабочей температурой шины позволяет реализовать ЭРДУ с наибольшей эффективностью.

Пример расчета. Рассмотрим шину из меди. δ= 8900 (кг/м³), ρ=0,0-17•10^-6(Ом•м), γ= 0,05 (кг/Вт), Т₀=300 К, Т=700 К, N=150 кВт, U=150 В. Расчетным путем получаем, что сечение шины составляет S=386 мм² при f=0,9 и ε= 0,8, a (h/b)=0,05 (шина ленточного типа).

Источники информации
1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов H.П. Электрические ракетные двигатели. - М.: Машиностроение, 1975, с.24.

2. О. Н. Фаворский, В.В. Фишгойт, Е.И. Янтовский. Основы теории космических эдектрореактивных двигательных установок. - М.: "Высшая школа", 1970, с.16-23.

Формула изобретения

1. Электроракетная двигательная установка, содержащая солнечный или ядерный источник электрической энергии, преобразователь электрического тока, блок электроракетных двигателей и шины из электропроводного зависящего от рабочей температуры материала, соединяющие выход источника электрической энергии со входом преобразователя электрического тока, отличающаяся тем, что на внешнюю сторону поверхности шин нанесено чернотное покрытие, шина выполнена в виде электропроводника с прямоугольным сечением, причем площадь сечения шины выбрана из соотношения
S = {N[ργp]^1/2}/{U[T⁴fδd]^1/2},

d = 0,6T⁴-0,8T³/α+0,8T_oT³+0,2T⁴_o;
S (м²) - площадь сечения шины;
ρ (Ом•м) - удельное электросопротивление материала шины;
N (Вт) - электрическая мощность, передаваемая по шине от источника электрической энергии к преобразованию электрического тока;
Т_о (К) - температура шины в отсутствии тока;
Т (К) - рабочая температура шины;
δ (кг/м³) - плотность материала шины;
α (К^-1) - температурный коэффициент электросопротивления материала шины;
γ (кг/Вт) - удельная масса источника электрической энергии;
f≤1, коэффициент;
U (В) - рабочее напряжение источника электрической энергии,
при этом отношение толщины h (м) шины к ширине b (м) внешней поверхности шины выбрано из соотношения
h/b=[А+(А²-S)^1/2]²/S,
где A = {N[δρd]^1/2}/{4Uσε[fT⁴pγ]^1/2}
σ (Вт/(м²К⁴) - постоянная Стефана-Больцмана, ε - степень черноты излучающей поверхности шины.

2. Электроракетная двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала шины в диапазоне рабочих температур от 300 до 600 К используют алюминий или берилий.

3. Электроракетная двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала шины в диапазоне рабочих температур от 600 до 800 К используют медь, молибден или ниобий.

4. Электроракетная двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала шины в диапазоне рабочих температур от 800 до 1100 К используют молибден.

5. Электроракетная двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала шины в диапазоне рабочих температур от 1100 до 2000 К используют ниобиевую трубу с литиевым наполнением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2